KR101700869B1 - 화학 기계적 연마 장치 및 이에 사용되는 온도조절패드 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 및 이에 사용되는 온도조절패드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼가 접촉하면서 자전하는 연마 패드와; 상기 연마 패드의 온도를 조절하도록 상기 연마 패드의 상측에 배치되는 온도조절패드를; 포함하여 구성되어, 화학 기계적 연마 공정을 시작하기 이전이나 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 온도를 적정 온도로 유지하여, 화학적 연마와 기계적 연마의 균형을 맞춤으로써 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 일정하게 유지하고, 웨이퍼의 연마면 마모 상태를 일정하게 유지하여 웨이퍼의 연마면 품질을 향상시킬 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 이에 사용되는 온도조절패드 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND TEMPERATURE CONTROL PAD USED THEREIN}
본 발명은 화학 기계적 연마장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전과 행해지는 동안에 연마 패드의 온도를 자유자재로 조절할 수 있는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마층이 구비된 반도체 제작을 위한 웨이퍼 등의 웨이퍼과 연마 정반 사이에 상대 회전 시킴으로써 웨이퍼의 표면을 연마하는 표준 공정으로 알려져 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 상면에 연마 패드(11)가 부착된 연마 정반(10)과, 연마하고자 하는 웨이퍼(W)를 하측에 위치시키고 연마 패드(11)의 상면에 접촉하게 하면서 회전시키는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면에 컨디셔닝 디스크(31)를 미리 정해진 가압력(20F)으로 가압하면서 회전시켜 연마 패드(11)의 표면에 형성된 미공이 표면에 지속적으로 유지되게 개질하는 컨디셔너(30)와, 연마 패드(11) 상에 슬러리(40a)를 공급하여 웨이퍼(W)의 화학적 연마가 행해지게 하는 슬러리 공급부(40)로 구성된다.
연마 정반(10)은 웨이퍼(W)가 연마되는 폴리텍스 재질의 연마 패드(11)가 부착되고, 회전축(12)이 구동부(M)에 의하여 회전 구동되어 회전 운동한다.
연마 헤드(20)는 연마 정반(10)의 연마 패드(11)의 상면에 위치하여 웨이퍼(W)를 파지하는 연마 헤드(21)와, 연마 헤드(21)를 회전 구동하면서 일정한 진폭만큼 왕복 운동을 행하는 연마 아암(22)으로 구성된다.
컨디셔너(30)는 연마 패드(11)의 표면에 연마제와 화학 물질이 혼합된 슬러리를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포된 미세 기공들이 막히지 않도록 연마 패드(11)의 표면을 미세하게 절삭하여 개질한다. 이에 의하여, 슬러리 공급부(40)로부터 공급되는 슬러리(40a)가 연마 패드(11)의 미세 기공에 채워진 후에 연마 패드(11)의 자전에 따라 연마 헤드(21)에 파지된 웨이퍼(W)에 원활하게 공급(42)하도록 한다.
한편, 화학 기계적 연마 공정은 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 평탄화하면서 정교하게 연마 두께를 조절하는 것인데, 화학 기계적 연마 공정 중에 개방된 주변 환경의 온도에 의하여 연마량의 편차가 발생되는 원인이 된다. 이는, 슬러리에 의한 화학적 연마 공정이 온도에 의해 크게 영향을 받기 때문이다. 이 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)의 연마층도 접촉하는 연마 패드(11)의 온도에 따라 단위 시간당 연마량의 편차가 발생된다.
따라서, 겨울철과 여름철의 주변 온도 차이로 인하여 화학적 연마의 단위 시간당 연마량 편차가 발생되고, 기계적 연마량과 화학적 연마량의 편차로 인하여 웨이퍼의 연마면이 불균일해지는 문제가 야기되었다. 이에 따라, 주변의 온도에 영향을 받지 않고 화학 기계적 연마 공정이 이루어져, 단위 시간당 연마량이 온도에 무관하게 일정하게 유지되고, 화학적 연마량과 기계적 연마량이 균형을 이루어 웨이퍼의 연마면의 품질을 높게 유지하는 방안의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 주변의 온도에 영향을 받지 않고 화학 기계적 연마 공정이 예정된 연마율(removal rate)로 이루어지게 하여, 웨이퍼의 연마 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 단위 시간당 연마량이 온도에 무관하게 일정하게 유지되고, 화학적 연마량과 기계적 연마량이 균형을 이루어 웨이퍼의 연마면의 품질을 높게 유지할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼가 접촉하면서 자전하는 연마 패드와; 상기 연마 패드의 온도를 조절하도록 상기 연마 패드의 상측에 배치되는 온도조절패드를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 연마 패드의 상측에 온도조절패드를 배치하고, 온도조절패드의 온도를 조절하는 것에 의하여, 온도조절패드와 연마 패드의 열교환이 이루어지면서, 화학 기계적 연마 공정을 시작하기 이전이나 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 온도를 적정 온도로 유지하기 위함이다.
이를 통해, 화학 기계적 연마 공정을 시작하는 순간에서부터 화학 기계적 연마 공정을 행하는 도중에 내내 슬러리에 의한 화학적 연마와 기계적 연마가 정해진 온도에서 균일하게 이루어져, 화학적 연마와 기계적 연마의 균형을 맞춤으로써 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 일정하게 유지하고, 웨이퍼의 연마면 마모 상태를 일정하게 유지하여 웨이퍼의 연마면 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 온도조절패드는 상기 연마 패드의 상측에 이격 배치되어, 온도조절패드와 연마 패드의 사이에 복사 열전달에 의하여 열교환이 이루어질 수 있다. 또는, 온도조절패드와 연마 패드가 서로 간격을 두고 이격배치되며, 온도조절패드와 연마 패드의 사이에 공기 유동을 유도하는 송풍기를 구비하여, 온도조절패드와 연마 패드의 열교환이 대류에 의해 이루어지는 것도 병행될 수 있다.
이 때, 상기 온도조절패드와 상기 연마 패드의 간격은 1mm 내지 30mm로 작게 이격됨으로써, 온도조절패드와 연마 패드 사이의 열교환 중에 열손실이 최소화되게 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 온도조절패드는 상기 연마 패드의 상측에 접촉하게 배치될 수도 있다. 즉, 온도조절패드와 연마 패드가 밀착된 상태로 배치되어 함께 회전하는 것은 아니더라도, 회전하는 연마 패드와 온도조절패드의 접촉에 의하여 상호 열교환이 전도와 복사를 통해 이루어지도록 구성될 수도 있다.
상기 온도조절패드는 상기 연마 패드에 대하여 항상 고정된 형태로 설치될 수 있지만, 연마 패드의 검사 등을 위하여 연마 패드에 대하여 수시로 분리될 수 있는 착탈식으로 설치될 수 있다.
무엇보다도, 상기 온도조절패드에는, 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전하는 연마 헤드가 차지하는 영역과, 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너의 컨디셔닝 디스크가 차지하는 영역과, 상기 연마 패드에 슬러리와 순수 중 어느 하나 이상이 공급되는 공급 경로가 차지하는 영역에 절개부가 형성되고, 상기 절개부에 상기 연마 헤드와 상기 컨디셔너가 배치되어, 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 동안에도 온도조절패드와 연마 패드를 상호 근접하거나 접촉하게 배치하여 상호 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있게 구성될 수 있다.
그리고, 상기 온도조절패드의 온도와 상기 연마 패드의 온도 중 어느 하나 이상을 측정하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 온도 센서에서 측정된 온도에 기초하여 상기 온도조절패드의 온도를 정해진 범위로 조절한다. 이에 의하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 온도 조절 패드에 의하여 연마 패드를 온도 제어함으로써,웨이퍼의 화학적 연마 공정과 기계적 연마 공정이 일정한 온도에서 이루어져, 화학적 연마와 기계적 연마가 일정하게 이루어지면서 웨이퍼의 연마면 품질을 보다 향상시킬 수 있다.
이 때, 상기 온도조절패드의 온도는 다양한 수단에 의해 조절된다. 예를 들어, 상기 온도조절패드에는 열선이 배치되어 상기 온도조절패드의 온도를 높일 수 있고, 냉각풍을 불어주는 블로워에 의해 상기 온도조절패드를 냉각할 수 있다.
한편, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼가 접촉하면서 자전하는 연마 패드의 상측에 배치되어, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드와 열교환하는 화학 기계적 연마 장치용 온도조절패드를 제공한다.
이 때, 상기 온도조절패드에는, 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전하는 연마 헤드가 차지하는 영역과, 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너의 컨디셔닝 디스크가 차지하는 영역과, 상기 연마 패드에 슬러리와 순수 중 어느 하나 이상이 공급되는공급 경로가 차지하는 영역에 절개부가 형성되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 헤드나 연마 패드가 정해진 스트로크를 왕복 오실레이션하거나 컨디셔닝 디스크가 정해진 각도만큼 아암의 왕복 회전 운동이 행해지더라도, 연마 패드의 드러난 표면 전체에 대하여 온도조절패드를 연마 패드에 접촉시키거나 근접 배치하여 상호 긴밀한 열교환이 행해지게 할 수 있는 환경을 조성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 연마 패드의 상측에 온도조절패드를 배치하고, 온도조절패드의 온도를 조절하는 것에 의하여, 온도조절패드와 연마 패드의 열교환이 이루어지면서 연마 패드의 온도를 적정 온도로 제어함으로써, 슬러리에 의한 화학적 연마와 기계적 연마가 정해진 온도에서 균일하게 이루어져, 화학적 연마와 기계적 연마의 균형을 맞춤으로써 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 일정하게 유지하고, 웨이퍼의 연마면 마모 상태를 일정하게 유지하여 웨이퍼의 연마면 품질을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 웨이퍼를 가압하면서 회전하는 연마 헤드가 차지하는 영역과, 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너의 컨디셔닝 디스크가 차지하는 영역과, 상기 연마 패드에 슬러리와 순수 중 어느 하나 이상이 공급되는 공급 경로가 차지하는 영역이 절개된 절개부가 온도조절패드에 형성되므로, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 헤드, 컨디셔너 등의 작동에 무관하게 연마 패드의 넓은 면적에 걸쳐 온도조절패드와 열교환할 수 있게 배치하여, 상호 열교환에 의한 연마 패드의 온도를 일정 범위로 조절할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전 뿐만 아니라, 화학 기계적 연마 공정이 진행되고 있는 동안에도 온도조절패드가 연마 패드와 접촉하거나 매우 작은 간격을 두고 설치되어 열교환을 유도함으로써, 연마 패드의 온도를 정해진 온도 범위로 정확하게 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 온도조절패드의 온도와 연마 패드의 온도 중 어느 하나 이상을 측정하는 온도 센서를 구비하고, 온도 센서에서 측정된 온도에 기초하여 온도조절패드의 온도를 피드백 제어함으로써, 웨이퍼의 화학적 연마 공정과 기계적 연마 공정이 일정한 온도에서 이루어져, 화학적 연마와 기계적 연마가 일정하게 이루어지면서 웨이퍼의 연마면 품질을 보다 향상시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 화학적 연마와 기계적 연마가 균형있게 이루어져, 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 일정하게 유지하고, 웨이퍼의 연마면 마모 상태를 일정하게 유지하여 웨이퍼의 연마면 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 개략도,
도2a 및 도2b는 도1의 화학 기계적 연마 장치의 평면도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도4는 도3의 평면도,
도5는 도3의 온도조절패드의 평면도,
도6은 도3의 'A'부분의 확대도,
도7은 도3의 'A'부분에 대응하는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 구성의 확대도,
도8은 도3의 화학 기계적 연마 장치의 작동 순서를 도시한 순서도,
도9 내지 도11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도, 도4는 도3의 평면도, 도5는 도3의 온도조절패드의 평면도, 도6은 도3의 'A'부분의 확대도, 도7은 도3의 'A'부분에 대응하는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 구성의 확대도, 도8은 도3의 화학 기계적 연마 장치의 작동 순서를 도시한 순서도, 도9 내지 도11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 도시한 평면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)는, 구동 모터(M1) 등에 의하여 회전 구동되는 연마 정반(10)과, 연마 정반(10)의 상측에 입혀진 연마 패드(11)에 웨이퍼(W)가 가압된 상태로 접촉하면서 회전하도록 구동하는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 미세 기공을 개질하여 슬러리(40a)가 원활히 웨이퍼(W)에 유입되게 개질하는 컨디셔너(30)와, 연마 패드(11) 상에 순수나 슬러리(40a)를 공급하는 액체 공급부(50)와, 연마 패드(11)의 상측에 배치되어 연마 패드(11)와 열교환하는 온도조절패드(110)와, 온도조절패드(110) 및 연마 패드(11)의 온도를 측정하는 온도 측정부(120)와, 온도 측정부(120)에서 측정된 온도를 기초로 온도조절패드(110)의 온도를 제어하는 제어부(130)를 포함하여 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 상면에는 웨이퍼(W)의 연마층을 연마하기 위하여 적절한 경도를 갖는 연마 패드(11)가 입혀지고, 연마 정반(10)의 중앙부에는 하방으로 회전축(15)이 연장되어, 회전축(15)이 지지대(10)의 회전 지지부(15b)에 의해 지지된 상태로 화학 기계적 연마 공정 중에 구동 모터(M1)에 의하여 회전 구동된다.
상기 연마 헤드(20)는 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(11)에 접촉한 상태로 웨이퍼(W)를 하방 가압하면서 회전 구동(20r)된다. 이에 따라, 연마 헤드(20)의 하측에 위치한 웨이퍼(W)는 연마면이 연마 패드(11)에 가압된 상태로 회전한다.
연마 헤드(20)는 도1에 도시된 형태로 연마 정반(10)에 대하여 위치 고정된 형태로 설치될 수도 있지만, 웨이퍼(W)가 다수의 연마 정반(10)에서 서로 다른 화학 기계적 연마 공정을 다단계로 행할 수 있도록 가이드 레일(20G)을 따라 이동(20d)하게 구성될 수도 있다.
상기 컨디셔너(30)는, 연마 패드(11)의 미세 기공 상태를 항상 일정하게 유지하기 위하여, 경도가 높은 컨디셔닝 디스크(31)를 연마 패드(11)에 가압하면서 회전시킨다. 컨디셔너의 아암은 지지대(10)의 상측에 고정된 고정 플레이트(18)에 회전 가능하게 설치되어, 정해진 각도만큼 왕복 회전(30d)운동을 한다. 이에 따라, 아암의 끝단에 배치된 컨디셔닝 디스크(31)는 자전(11r)하는 연마 패드(11)의 표면전체를 개질한다.
상기 액체 공급부(50)는 지지대(10)의 상측에 고정된 고정 플레이트(18)에 고정되어, 연마 패드(11)에 슬러리를 공급한다. 공급된 슬러리는 연마 패드(11)에 형성된 미세 홈을 통해 웨이퍼(W)로 공급되어, 웨이퍼(W)의 화학적 연마 공정을 유도한다. 또는, 액체 공급부(50)는 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전이나 화학 기계적 연마 공정 중에 필요에 따라 순수를 연마 패드(11)에 분사한다.
상기 온도조절패드(110)는 연마 패드(11)의 상측에 위치하여 연마 패드(11)에 열을 공급하거나 연마 패드(11)의 열을 흡수하여, 연마 패드(11)의 온도를 웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 최적의 온도 범위로 조절한다.
이를 위하여, 온도 조절 패드(110)는 도5에 도시된 바와 같이, 열선(118)이 배치되어 제어부(130)로부터 전원을 공급받아 적정 온도로 가열된다. 이와 함께, 온도조절패드(110)의 온도를 낮추도록 냉풍을 온도조절패드(110)에 공급하는 냉각팬(119)이 구비된다. 이에 따라, 온도조절패드(110)는 원하는 온도로 제어된다. 열선(118) 및 냉각팬(119)과 병행하거나 별개로, 온도조절패드(110)의 온도는 냉동 사이클(117)의 냉각 배관이나 가열 배관을 통과하는 냉매와 상호 열교환(117a)하면서 온도 조절될 수도 있다. 냉동 사이클(117)에 의해 온도조절패드(110)의 온도를 조절함으로써, 열선(118)을 제어하는 전원을 온도조절패드(110)와 연결하는 구성을 배제할 수 있는 잇점이 얻어진다.
여기서, 온도조절패드(110)는 원판 형태를 유지할 수 있는 다양한 재질로 형성될 수 있다. 열선(118)과 냉각팬(119)에 의해 온도를 쉽게 조절될 수 있도록 열전도성이 좋은 구리, 스텐레스 등의 재질로 형성될 수도 있고, 내부에 공기가 채워진 봉지 형태로 형성될 수도 있으며, 강성이 높은 재질에 의해 틀이 유지되는 우레탄 등의 가요성 재질로 형성될 수도 있다.
무엇보다도, 온도조절패드(110)는 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전하는 연마 헤드(20)가 차지하는 영역(C2)과, 연마 패드(11)의 표면을 개질하는 컨디셔너(30)의 컨디셔닝 디스크(31)가 왕복 이동(30d)하면서 차지하는 영역(C3)과, 액체 공급부(50)로부터 연마 패드(11)에 슬러리와 순수 중 어느 하나 이상이 공급되는 공급 경로가 차지하는 영역(C4)에 각각 절개부(110C2, 110C3, 110C4)가 형성된다.
따라서, 온도조절패드(110)의 절개부(110C2, 110C3, 110C4)에 연마 헤드(20)와 컨디셔너(30)가 배치되고, 이를 통해 슬러리와 순수 중 어느 하나 이상이 연마 패드(11)에 공급될 수 있으므로, 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 동안에도, 온도조절패드(110)와 화학 기계적 연마 장치(100)의 다른 구성 요소(20, 30, 50)과 간섭되지 않으면서,연마 헤드(20), 컨디셔너(30) 등의 작동에 무관하고 공급되는 슬러리가 방해받지 않으면서, 연마 헤드(20)와 컨디셔너(30)가 차지하는 공간 이외의 연마 패드(11)의 전체 면적에 걸쳐 온도조절패드(110)와 열교환할 수 있는 환경이 마련된다.
한편, 도9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 화학 기계적 연마 장치(200)는, 온도조절패드(210)는 연마 헤드(20)와 컨디셔너(30)가 차지하지 않는 공간의 일부 영역만 커버하는 형태로 형성될 수도 있다. 이와 같은 온도조절패드(210)는 연마 패드(11)와 대향하는 저면의 면적이 더 작으므로, 연마 패드(11)의 온도를 높은 반응 속도로 조절할 수 없는 한계가 있지만, 연마 헤드(20)나 컨디셔너(30) 등에 간섭될 여지를 근본적으로 없앤다는 측면에서 유리하다.
또 한편, 도10에 도시된 바와 같이, 자전하는 연마 헤드(10)를 제외한 컨디셔너(30)의 아암에 온도조절패드(310)가 고정될 수도 있다. 이에 따라, 컨디셔닝 디스크가 정해진 경로를 따라 왕복 이동하면서, 그 주변의 연마 패드(11)의 온도를 원하는 타겟 온도로 조절할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도10에 표시되지 않았지만, 슬러리 공급부(40) 등도 자전하지 않고 회전축을 중심으로 정해진 각도만큼 왕복 회전 운동을 하거나 화학 기계적 연마 공정 중에 정지된 구성 요소에도 온도조절패드(310)가 고정되어, 연마 패드(11)의 온도 조절에 기여할 수도 있다. 도10에 표시된 온도조절패드(310)는 그 자체로 단독으로 화학 기계적 연마 장치(300)에 적용될 수도 있지만, 도4 및 도9에 도시된 온도조절패드(110, 210) 중 어느 하나와 함께 적용되어, 연마 패드(11)의 온도 조절을 보다 정확하게 할 수 있다.
한편, 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(11)의 일정한 영역하고만 접촉하는 것을 방지하기 위하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 헤드(20)와 연마 패드(11) 중 어느 하나 이상이 정해진 스트로크만큼 왕복 이동(10X, 20X)하는 구성이 제안되고 있다. 이 경우에는, 연마 헤드(20)와 연마 패드(11) 사이의 상대 이동 거리에 해당하는 공간을 온도 조절 패드(410, 410')가 수용해야 한다.
따라서, 도11a에 도시된 바와 같이, 연마 패드(11)와 고정 플레이트(18)가 함께 왕복 오실레이션 운동(10X, 18X)을 하고, 슬러리 공급부(40)과 연마 헤드(20)가 제자리에 위치하는 경우에는, 연마 패드(11)와 함께 왕복 오실레이션 운동을 하지 않는 슬러리 공급부(40)와 연마 헤드(20)의 연마 패드(11)에 대한 왕복 이동 스트로크만큼 추가로 수용해야 하는 공간에 해당하는 길이(S)로 절개부(410C2, 410C4)가 형성된다.
이와 유사하게, 도11b에 도시된 바와 같이, 연마 패드(11)와 고정 플레이트(18)가 제자리에 위치하고, 연마 헤드(20)만 왕복 오실레이션 운동(20X)을 하는 경우에는, 연마 헤드(20)의 연마 패드(11)에 대한 왕복 이동 스트로크만큼 추가로 수용해야 하는 공간에 해당하는 길이(S)로 절개부(410C2')가 형성된다.
이렇듯, 온도조절패드(110, 210, 310, 410, 410')는 화학 기계적 연마 공정에 필요한 공간을 수용할 수 있는 절개부(110C1, 110C2,...,410S3)가 형성됨에 따라, 화학 기계적 연마 장치의 각 구성들(10, 20, 30, 40)이 화학 기계적 연마 공정 중에 움직이더라도, 연마 패드(11)와 대향하는 면을 극대화하여 연마 패드(11)와 상호 열교환할 수 있게 되어, 연마 패드(11)의 온도를 타겟 온도로 유지시킬 수 있다.
한편, 슬러리 공급부(40)는 아암의 끝단에서 슬러리가 공급되므로 온도조절패드의 끝단부에만 절개부가 형성될 수도 있다. 참고로, 도면에 도시된 슬러리 공급부(40)는 아암의 길이 방향에 대하여 2군데 이상에서 슬러리가 공급될 수도 있고, 그 밖에 순수를 공급할 수 있는 노즐이 배치된 구성이 반영된 것이다. 따라서, 도면에는 슬러리 공급부(40)의 아암의 전체에 걸쳐 절개부가 형성된 구성이 예시되어 있다.
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따라서, 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전이나 행하고 있는 동안에도, 온도조절패드(110)와 연마 패드(11)가 상호 근접하거나 접촉하게 배치되어, 연마 패드(11)와 함께 회전하지 않는 온도조절패드(110)와 자전(11r)하는 연마 패드(11) 사이의 열교환을 원활히 이루어지게 하여, 연마 패드(11)의 온도를 정교하게 제어할 수 있다.
한편, 도6에 도시된 바와 같이 온도조절패드(110)는 연마 패드(11)에 근접 배치되지만 정해진 간극(d)만큼 이격되게 배치될 수 있다. 이를 위하여, 온도조절패드(110)는 지지대(10)에 고정된 고정 플레이트(18)에 정해진 높이만큼 간격을 띄우는 간격재(112) 상에 고정된다. 여기서, 간극(d)는 1mm 내지 30mm 정도로 형성되어, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에도 대류 열전달이나 복사 열전달에 의하여 온도조절패드(110)와 연마 패드(11)가 상호 원활한 열교환이 일어나도록 배치될 수 있다.
온도조절패드(110)는 가장자리 부근에서 간격재(112)에 거치된 상태로 위치 고정되므로, 웨이퍼(W)의 종류에 따라 화학 기계적 연마 공정에 따라, 간격재(112)를 교체하는 것에 의하여 연마 패드(11)와의 간격(d)이 조절될 수 있다.
한편, 도7에 도시된 바와 같이, 온도조절패드(110)는 연마 패드(11)에 접촉한 상태로 배치될 수도 있다. 이 경우에는, 연마 패드(11)의 상면과 온도조절패드(110)의 저면이 가압된 상태로 밀착되는 것이 아니라, 상호 슬라이딩 이동이 가능한 상태로 접촉한다. 이를 통해, 연마 패드(11)와 온도조절패드(110)의 열교환이 복사와 대류에 의해서만 일어나지 않고, 전도에 의해서도 열교환이 일어날 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
상기 온도측정부(120)는 연마 패드(11)의 온도와 온도조절패드(110)의 온도를 측정하고, 측정된 결과를 제어부(130)로 전송한다. 온도 측정부(120)는 광을 조사하여 측정하는 비접촉 측정 방식으로 연마 패드(11)와 온도조절패드(110)의 온도를 측정할 수도 있고, 열전대 등의 접촉 측정 방식으로 연마 패드(11)와 온도조절패드(110)의 온도를 측정할 수 있다. 연마 패드(11)의 온도를 비접촉 방식으로 측정하고자 할 경우에는, 연마 패드(11)의 상측이 온도조절패드(110)에 의해 가려진 상태이므로, 온도조절패드(110)의 절개부(110C2, 110C3, 110C4)와 각 구성요소들(20, 30,..)의 사이 틈새로 광을 조사하는 형태로 연마 패드(11)의 온도를 측정할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 정해진 웨이퍼의 종류에 따라 최적의 온도 범위 데이터를 저장하여 두고, 연마 패드(11)의 온도가 화학 기계적 연마 공정에 적합한 온도로 유지되도록, 온도 측정부(120)에서 측정된 온도 데이터를 기초로 온도조절패드(110)의 온도를 제어한다.
즉, 화학 기계적 연마 공정이 시작되기 이전에, 연마 패드(11)의 상측에 온도조절패드(110)를 먼저 배치한다(S110). 화학 기계적 연마 공정 중에 온도조절패드(110)가 비회전 상태로 있더라도, 온도조절패드(110)에는 연마 헤드(20), 컨디셔너(30)의 이동 공간 등이 절개부(110C2, 110C3, 110C4)에 의해 미리 형성되어 있으므로, 연마 패드(11)와 대면하는 평탄한 온도조절패드(110)의 저면은 지속적으로 연마 패드(11)와 넓은 대향면을 통해 상호 열교환이 가능하다.
그리고 나서, 예를 들어, 화학 기계적 연마 공정의 초기 단계에서 연마 패드(11)의 온도가 상온인데, 연마 패드(11)의 온도를 섭씨 40도의 타겟 온도로 유지하고자 하는 경우에는, 타겟 온도와 측정 온도(섭씨 35도)에 비례하는 섭씨 45도 내지 섭씨 50도 정도의 온도가 되도록 온도조절패드(110)를 열선(118)으로 가열하여 온도 조절하는 것에 의하여, 연마 패드(11)로부터 온도조절패드(110)로 열을 공급하여 연마 패드(11)의 온도를 섭씨 40도가 되도록 유도한다. 이와 같이, 연마 패드(11)의 온도가 정해진 온도 범위에 도달하면, 화학 기계적 연마 공정을 행한다(S120).
경우에 따라서는, 공정의 효율을 높이기 위하여, 연마 패드(11)의 온도가 정해진 타겟 온도에 도달하지 않았더라도, 화학 기계적 연마 공정을 시작하면서 연마 패드(11)의 온도를 타겟 온도에 짧은 시간 내에 도달하도록 온도조절패드(110)를 온도 제어할 수도 있다.
그리고 나서, 온도 측정부(120)는 화학 기계적 연마 공정을 행하면서, 온도조절패드(110) 및 연마 패드(11)의 온도를 측정한다(S130). 이 때, 연마 패드(11)의 온도를 섭씨 40도의 타겟 온도로 유지하고자 하는 데, 연마 패드(11)의 온도가 섭씨 45도로 상승한 경우에는, 타겟 온도와 측정 온도(섭씨 45도)에 비례하는 섭씨 35도 정도의 온도가 되도록 온도조절패드(110)를 냉각팬(119)으로 냉각하여 온도 조절하는 것에 의하여, 연마 패드(11)로부터 온도조절패드(110)로 열을 빼앗아 연마 패드(11)의 온도를 섭씨 40도가 되도록 유도한다(S140).
이와 같이 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에 연마 패드(11)의 온도가 피드백 온도 제어되는 온도조절패드(110)에 의하여 지속적으로 열교환하면서, 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)의 마찰 접촉에 의하여 발생되는 열이나 주변의 온도에 영향을 받지 않고, 일정한 타겟 온도 범위로 연마 패드(11)의 온도를 유지할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 연마 패드(11)의 상측에 온도조절패드(110)를 배치하고, 온도조절패드(110)의 온도를 피드백 제어하는 것에 의하여, 온도조절패드(110)와 연마 패드(11)의 열교환이 이루어지면서 연마 패드(11)의 온도를 화학 기계적 연마 공정에 적합한 타겟 온도로 유지되게 제어함으로써, 슬러리에 의한 화학적 연마와 기계적 연마가 정해진 온도에서 균일하게 이루어져, 화학적 연마와 기계적 연마의 균형을 맞춤으로써 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 일정하게 유지하고, 웨이퍼의 연마면 마모 상태를 일정하게 유지하여 웨이퍼의 연마면 품질을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 화학적 연마와 기계적 연마가 균형있게 이루어져, 웨이퍼의 단위 시간당 연마량을 일정하게 유지하고, 웨이퍼의 연마면 마모 상태를 일정하게 유지하여 웨이퍼의 연마면 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
W: 웨이퍼 100: 화학 기계적 연마 장치
10: 연마 정반 11: 연마 패드
20: 연마 헤드 30: 컨디셔너
31: 컨디셔닝 디스크 50: 액체 공급부
110: 온도조절패드 118: 열선
119: 냉각팬 120: 온도 측정부
130: 제어부

Claims (18)

  1. 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼가 접촉하면서 자전하는 연마 패드와;
    절개부가 형성된 상태로 상기 연마 패드의 상측에 배치되어 상기 연마 패드의 온도를 조절하는 온도조절패드를;
    포함하고, 상기 온도조절패드는 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전하는 연마 헤드가 차지하는 제1영역과, 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너의 컨디셔닝 디스크가 차지하는 제2영역과, 상기 연마 패드에 슬러리와 순수 중 어느 하나 이상이 공급되는 공급 경로가 차지하는 제3영역 중 하나 이상의 영역과 중복되는 면적으로 형성되고, 상기 절개부는 상기 제1영역과 상기 제2영역과 상기 제3영역 중 어느 하나 이상과 중복되는 온도조절패드의 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 온도조절패드는 상기 연마 패드의 상측에 이격 배치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 온도조절패드와 상기 연마 패드의 간격은 1mm 내지 30mm인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 온도조절패드는 상기 연마 패드의 상측에 접촉하게 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 온도조절패드는 상기 연마 패드에 대하여 착탈식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 온도조절패드는 상기 연마 패드와 함께 회전하지 않는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 온도조절패드는 슬러리를 상기 연마 패드에 공급하는 슬러리 공급부와, 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너에 고정 설치되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 패드는 화학 기계적 연마 공정 중에 왕복 이동하고,
    상기 절개부는 상기 연마 패드의 왕복 이동에 따라 상기 연마 헤드와 상기 컨디셔너가 차지하는 공간을 수용하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 화학 기계적 연마 공정 중에 왕복 이동하고,
    상기 절개부는 상기 연마 헤드의 왕복 이동에 따라 상기 연마 헤드가 추가로 차지하는 공간을 수용하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  10. 제 1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도조절패드의 온도와 상기 연마 패드의 온도 중 어느 하나 이상을 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고, 상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 기초하여 상기 온도조절패드의 온도를 정해진 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 온도조절패드에는 열선이 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 온도조절패드를 냉각하는 냉각풍을 불어주는 블로워를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 온도조절패드의 온도를 조절하는 냉동 사이클이 구비된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  14. 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 접촉하면서 자전하는 연마 패드의 상측에 배치되어, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드와 열교환하고;
    상기 웨이퍼를 가압하면서 회전하는 연마 헤드가 차지하는 제1영역과, 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너의 컨디셔닝 디스크가 차지하는 제2영역과, 상기 연마 패드에 슬러리와 순수 중 어느 하나 이상이 공급되는 공급 경로가 차지하는 제3영역 중 하나 이상의 영역과 중복되는 면적으로 형성되며,
    상기 제1영역과 상기 제2영역과 상기 제3영역 중 어느 하나 이상과 중복되는 영역에 절개부가 형성된 화학 기계적 연마 장치용 온도조절패드.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 연마 패드는 화학 기계적 연마 공정 중에 왕복 이동하고,
    상기 절개부는 상기 연마 패드의 왕복 이동에 따라 상기 연마 헤드와 상기 컨디셔너가 차지하는 공간을 수용하는 절개부가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 온도조절패드.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 화학 기계적 연마 공정 중에 왕복 이동하고,
    상기 절개부는 상기 연마 헤드의 왕복 이동에 따라 상기 연마 헤드가 추가로 차지하는 공간을 수용하는 절개부가 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 온도조절패드.
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